一种变流器igbt功率模块结温测量的自标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子器件结温测量领域，尤其是涉及一种变流器IGBT功率模块结温测量的自标定方法。
【背景技术】
[0002]结温是IGBT功率模块中电力电子器件的重要状态变量，能直接反映器件安全裕量、健康状态以及运行性能等。然而由于模块封闭式结构、器件芯片尺寸小且温度分布不均以及变流器高电压、大电流、高频率运行等原因，IGBT模块的结温测量十分困难。作为变流器核心部件，研发简便、准确、安全的IGBT模块结温测量技术对变流器性能评估，优化设计以及状态监测与故障诊断都具有重要工程意义。
[0003]目前，对IGBT功率模块的结温测量技术主要分为两类:I)基于传感器的直接测量法，如:利用热电偶，光纤以及集成二极管等温度传感器进行测温的方法；2)基于温敏参数的间接测量法，如:利用通态压降，开关延迟时间，内部门极电阻等与器件结温直接相关的温敏参数进行测温的方法。直接测量法对传感器的安放位置有较高要求，此外还存在响应速度慢、硬件结构复杂以及绝缘安全等问题。温敏参数法则具有非侵入式测量的特点，无需改变被测系统的硬件结构，已成为结温测量技术发展的主要方向。使用温敏参数法的前提是能够准确建立温敏参数与器件结温间的函数关系，即温敏特性。现有技术都是在实验室中利用专业设备通过一系列标定实验对器件温敏特性进行测量。但由于器件特性的分散性，每个IGBT功率模块的温敏特性均不完全相同，这使得现有的结温测量技术很难直接应用于工程实际系统中。为克服现有技术的不足，本发明提出一种适用于在工业现场实施的变流器IGBT功率模块结温测量的自标定方法。
[0004]文南犬Online Junct1n Temperature Extract1n with Turn-off Delay Timefor High Power IGBTs提出一种基于温敏参数“关断延迟时间”的IGBT结温测量方法。该方法根据IGBT的关断延迟时间、关断电压、电流与结温间的定量关系对IGBT结温进行测量。该方法对测量设备的精度要求高、测量难度大，因此温敏特性标定实验只能在实验室中进行，很难直接应用于工程实际系统。
[0005]文南犬Comparison of Junct1n Temperature Evaluat1ns in a Power IGBTModule Using an IR Camera and Three Thermosensitive Electrical Parameters提出一种基于温敏参数“饱和压降”的IGBT结温测量方法。测温过程中，该方法向IGBT中注入一个恒定幅值的测量电流并测量IGBT饱和压降。由于测量电流会影响变流器正常运行且需要外加硬件电路实现，因此该方法只能在实验室中对温敏特性进行标定，很难直接应用于工程实际系统。
[0006]文南犬On-line Estimat1n of IGBT Junct1n Temperature Using On-stateVoltage Drop和Temperature measurement on series resistance and devices inpower packs based on on-state voltage drop monitoring at high current的方法与文南犬Comparison of Junct1n Temperature Evaluat1ns in a Power IGBT ModuleUsing an IR Camera and Three Thermosensitive Electrical Parameters类似，提出了利用饱和压降对IGBT结温进行测量的方法。该方法同时监测IGBT饱和压降与变流器输出电流，并根据结温与它们间的定量关系获取IGBT运行结温的信息。该方法不影响系统正常运行，但也存在一定的局限性:首先，IGBT饱和压降在一定电流范围内对温度不敏感，因此该方法无法在所有运行区间内对器件结温进行标定测量;此外，由于IGBT饱和压降很小(通常在I?2V)而关断压降很大(通常在几百伏)，因此在变流器高频开关工作条件下对IGBT饱和压降进行精确标定测量十分困难。
[0007]文南犬Junct1n Temperature Measurement of IGBTs Using Short CircuitCurrent as a Temperature Sensitive Electrical Parameter for ConverterPrototype Evaluat1n提出了一种利用短路电流测量IGBT结温的方法。该方法通过标定IGBT短路电流与结温的定量关系间接获取IGBT结温信息。但该方法需要额外的测试电路，不能直接用于实际系统，且标定过程可能对变流器中IGBT模块的安全性能产生影响。
【发明内容】
[0008]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于工业现场、测量简便、测量准确的变流器IGBT功率模块结温测量的自标定方法。
[0009]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0010]一种变流器IGBT功率模块结温测量的自标定方法，用于工业现场标定IGBT模块的结温，包括以下步骤:
[0011]I)获取IGBT模块的三维温敏特性表，具体包括以下步骤:
[0012]11)变流器自热:在关闭变流器冷却装置的条件下，控制变流器通过负载进行加载，使IGBT模块温度逐渐升高达到指令值；
[0013]12)自热完成后，闭锁IGBT门极信号关断负载电流，使自热完成后的IGBT模块温度Tc缓慢下降至环境温度；
[0014]13)在IGBT模块温度缓慢下降至环境温度的过程中，对IGBT模块进行双脉冲测试的电流扫描和温度扫描，获取IGBT模块基于电压变化率dv/dt的三维温敏特性表dv/dt = f(Tj，i);
[0015]2)根据三维温敏特性表dv/dt = f (Tj，i)以及待测IGBT模块实际测得的运行电流和电压数据计算IGBT模块的运行结温。
[0016]所述的电流扫描的具体步骤为:
[0017]131)选择一个设定的测试温度，等待模块温度T。下降至该测试温度；
[0018]132)改变IGBT模块的脉冲宽度，使IGBT模块流过不同大小的电流，通过电压探头、电流探头以及示波器测量并记录IGBT模块的电压及电流波形，并根据电压和测试时间获取该测试温度下的电压变化率dv/dt，同时记录模块温度Tc。
[0019]所述的温度扫描的具体步骤为:
[0020]重新设定测试温度，重复电流扫描，汇总不同模块温度下IGBT模块的电压变化率dv/dt的三维温敏特性，最终得到IGBT模块基于电压变化率dv/dt的三维温敏特性表dv/dt= f(Tj,i)o
[0021]所述的步骤2)具体包括以下步骤:
[0022]根据三维温敏特性表dv/dt= f(Tj，i)以及待测IGBT模块实际测得的运行电流和电压数据通过插值法计算IGBT模块的运行结温。
[0023]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0024](I)适用于工业现场自标定测量:相比于现有技术，本发明方法不仅可用于实验室，同样可对工业现场变流器系统中的IGBT功率模块进行自标定测量。
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